介绍
黑沙沉积物是由于苏丹南部和埃塞俄比亚高原的一些火成岩和变质岩的侵蚀而形成的（Pettijohn et al. 1987）。他们通过尼罗河运输到尼罗河三角洲沿海地区和西奈北部海岸定居（Aziz 等人，2020）。人们注意到，黑沙沉积物含有高浓度的天然放射性同位素，称为天然放射性物质（El-Naggar 1999；El-Khatib 等人1993）。暴露于这些材料的辐射可能会威胁到人们，无论是生活在他们的存在附近还是在他们周围的环境中工作（Akram 等人，2007）。
之前的一些研究表明，黑沙沉积物不存在有害的自然辐射排放，因为它们处于允许的限度内（Aboelkhair和Zaaeimah 2013 ； UNSCEAR，2000，2018 ）。然而，这些黑沙经过了不同的浓缩步骤，预计会增加其放射性测量值。选矿步骤将整个矿床分成几种经济矿物；例如钛铁矿、磁铁矿、金红石、锆石、石榴石和独居石（Alam 等人，1999）。例如，El-Burbllus 黑砂处理流程属于不同建议浓度流程之一（El-Afandy 等人，2016 年））。这些矿物富含可观浓度的经济矿物以及一些放射性元素，其浓度高于全球普通水平，然而，它们不一定具有相同的放射性指数，甚至超过允许的辐射限值（El-Kammar等人，2011 ）；Abdel-Karim 等人，2016 年）。这些矿物质在加工过程中被吸入是主要威胁之一，这主要取决于颗粒大小并需要适当的通风（Adelikhah 等人，2020 年；Dodge-Wan 和 Viswanathan，2021 年；Kocsis 等人，2021 年））。此外，含氡的矿物质尤其严重影响呼吸系统并导致严重的健康问题（Khan et al. 2017）。
磁铁矿、钛铁矿、金红石和锆石不仅占黑砂成分的75%以上，而且具有最显着的经济可行性（Khedr等，2023）。例如，金红石和钛铁矿是二氧化钛的主要来源，它们在颜料、纸张、塑料和钛合金中具有不同的应用。锆石通常用于陶瓷工业，此外，它还含有用于核燃料棒制造的锆。此外，磁铁矿是一种重要的铁矿石，广泛用于海绵铁工业和石油管道包裹。
因此，在本研究中，来自黑沙的这四种矿物的代表性样品及其浓缩过程经历了不同的表征阶段。最初，分别使用 X 射线荧光 (XRF)、真实密度和粒度对矿物进行化学和物理表征。最重要的是，测量了样品中天然存在的放射性核素含量的活度浓度，并估计了重要的放射性危害指数。此外，采用初步风险评估方法进行风险分析。
实验性的
材料
磁铁矿、钛铁矿、金红石和锆石的代表性样品购自埃及 Black Sand Company。这些矿物质是位于北部海岸的黑沙沉积物浓缩的产物，特别是靠近埃尔布鲁勒斯和拉希德地区。图 1显示了黑砂选矿步骤的示意性流程图。该流程图的物料平衡显示，钛铁矿、磁铁矿、锆石和金红石的矿物百分比分别为 40%、15%、15% 和 10%。很明显，这四种矿物占黑沙总成分的 75% 以上。

方法
化学分析（XRF）
X 射线荧光 (XRF) 光谱仪（S-8 Tiger Bruker，德国）用于确定所研究样品的化学成分（García-Florentino 等人，2018）。

密度测量
密度由美国Quantachrome Instruments公司的Ultrapyc 1200e自动气体比重瓶使用高纯氮气测量。

粒度分析
所研究样品的平均粒度(d 50 )由使用BT-2001激光衍射粒度分析仪获得的累积粒度分布确定，检测范围为0.1-1036μm，使用水作为分散介质。该设备配备了分散系统，以确保粉末完全分散，从而实现更准确的测量（Guerra et al. 2017）。

放射性活动和相关危害指数

比放射性
将样品在 100 °C 的烘箱中干燥 24 小时，并在紧密密封的聚乙烯马里内利圆柱形容器中保存 28 天，然后测量达到226 Ra（代表238 U 衰变链）、232 Th 及其子体（代表 238 U 衰变链）之间的长期平衡（ Kocsis 等人，2021 年；Tawfic 等人，2021 年）。

使用碘化钠（NaI（Tl））闪烁检测器（Bicron）测量放射活性，该检测器具有用光电倍增管密封在铝外壳中的 3 英寸 × 3 英寸晶体。探测器放置在圆柱形中空铅室中，带有 6 毫米厚的铜内衬，用于防止感应 X 射线和背景辐射。该检测器连接至 Nuclear Enterprises 放大器（型号 NE-4658）、Tennelec 高压电源（型号 TC-952）、Nucleas PCA-8000 计算机和 MA-8192 多通道分析仪。

铀和钍是利用其子体发射的特定伽马线间接测量的（Tawfic 等人，2021）。使用代表以下的选定能量区域测量226 Ra、232 Th 和40 K的放射性：214 Pb、212 Pb 和40 K 分别为 352、239 和 1460 keV。

为确保在选定的伽马辐射能量下准确测量活度，使用57 Co 和137 Cs 放射性标准源进行能量校准，并使用一系列制备的 4 个人工标准源（地质标准物质）进行效率校准。具有某些226 Ra、232 Th 和40的认证参考样品K 活度浓度从国际原子能机构 (IAEA) 获得。使用具有相同几何形状和尺寸的空容器测量背景计数率，然后记录所选感兴趣区域（ROI）的计数率，并通过减去相应的背景计数率进行校正。测量进行了 3 次，每次 1000 秒，然后由“分析”计算机软件进行处理。

镭当量活度 (Ra eq )
镭当量活度 (Ra eq ) 可以描述为收集主要三个 NORM 的比活度的当量总和值；238 U、232 Th 和40 K，假设它们都是按照226 Ra 比活度计算的；226 Ra、238 U、232 Th 和40 K 分别为 370、370、259 和 4,810 Bq/kg ，产生相同的 γ 射线剂量率，

伽玛指数 (I γ )
它用于评估建筑和建筑材料，以评估主要或部分由这些材料建造的场所或建筑物的居民或居住者可能获得的 γ 射线剂量。伽马指数 (I γ )，为了将暴露限制在 1 mSv/年，对于用作散装材料的 I γ设置为 ≤ 1，

外部危险指数 (H ex )
外部危险指数 H ex使用公式 4（辐射2000 ）计算。H ex用于评估与受调查材料（例如采矿、加工厂和堆放这些矿物的工人）直接和长期接触时可能存在的外部放射性暴露危害。外部危害指数的限值统一设定为不超过推荐的公众年度允许剂量1 mSv/y

外部吸收剂量率和年有效剂量
外部吸收剂量率 Ḋ out，单位为 nGy/h，是指在某个区域（即采矿、分离和堆放工作场所）中，在室外距地面 1 m 处可接收到的剂量率含有大量正在调查的材料。Ḋ out可以使用以下公式进行估计

结果与讨论
矿物表征
化学成分和密度
表1和图1显示了所用样品的化学成分和真密度。所有样品都含有相当大比例的重元素，例如钛、铁和/或锆，这反映在它们的密度中。锆石的密度最高，为5.23 g/cm 3，其次是磁铁矿和钛铁矿，分别为5.02和4.6 g/cm 3

表 2显示了所研究样品的d 50 。研究发现，所研究样品的平均粒径 (d 50 ) 范围为钛铁矿的 100 μm 和金红石的 125 μm。所有样品的平均尺寸都很接近，这表明样品的均匀性。然而，微米尺寸代表更高的吸入危险。

放射学特征
具体活动
图3显示了浓缩前后黑砂比活度贡献的差异。大部分40 K 在浓缩过程中被去除，而226 Ra 和232 Th 在浓缩后变得更高，这对预期的放射性危害发出了警报，锆石和金红石产品中226 Ra 和232 Th的增加证实了这一点磁铁矿和钛铁矿中的40 K ，图 4。

测得金红石和锆石中238 U( 226 Ra) 的比活度分别为 2609 和 2342，232 Th 的比活度为；分别为2097和1757，图5。与土壤中的平均国际活性浓度相比，这些值较高，将这些值设定为：226 Ra 和232 Th 分别为 35 和 30 Bq/kg 。由于浓缩过程，锆石和金红石的含量高于原始黑砂（欧盟委员会1999 年；辐射2008 年）。具体活性40锆石和金红石中的钾含量低于天然黑砂，土壤中的国际平均值为 400 Bq/kg（辐射2000；Ali 等人，2012），而钛铁矿和磁铁矿则等于或略高于天然黑砂的钾含量。原沙。

另一方面，磁铁矿和钛铁矿的净比活度相对较低，范围为 138.2 至 328.9 Bq/kg，甚至低于从黑砂中提取这些矿物的原黑砂的净比活度 725.1 Bq/kg。它们还具有低于或接近土壤中国际平均水平的 NORM 活性浓度。

室外放射危害指数和剂量
根据测得的活度浓度，计算出室外放射危害指数和相关剂量/剂量率，见表3。金红石和锆石的最高 (Ra eq ) 值远高于建议的最大限值 370（辐射2000；Ali 等人2012；Tawfic 等人2021），这通常会导致较高的室外剂量率 (Ḋ out )室外年有效剂量 (OAED) 高于公众暴露于外部辐射时的允许剂量，即 1 毫希沃特/年。

上述三个样品获得的高 (OAED) 值表明 Ra eq、Ḋ out和 OAED 之间存在上述正相关关系。金红石和锆石超过了最大允许年剂量，但其值相等；分别符合3.04和2.64，这可能对公众甚至对长期存在于含有这些材料的场所（例如含有成堆这些产品的工作场所）而没有采取必要的辐射防护考虑的工人造成不安全的后果。

另一方面，除了参考黑沙样品之外，钛铁矿和磁铁矿的可接受 (Ra eq ) 值低于建议限值，并且安全年剂量低于“1 mSv/y”。一般来说，钛铁矿和磁铁矿对于所有室外放射性危害指数和剂量都有足够和安全的值。外部危险指数 (H ex ) 应小于 1，以确保安全的放射环境，并且对于那些可能直接和长期接触这些调查材料的人来说，预计收到的外部剂量低于允许剂量限值（欧盟委员会 1999年；辐射2008 年；Ali 等人2012 年）。

风险分析
风险分析的目标是确定代表其危险程度的风险等级。风险分析首先确定事件可能出现的类别以及该事件的后果，如表 4和表5所示。选择概率和严重性的 3 级。另一方面，表 6显示了升级过程中可能危险的识别及其影响，然后根据每种情况的概率和严重性确定风险等级，其中风险等级等于概率乘以严重性 (RR = PXS ），如图 6中的风险矩阵所示。此外，还列出了应采取的建议控制措施并确定了其风险等级。值得一提的是，由于辐射造成的烧伤和死亡病例不包括在本研究中，因为工人需要在短时间内接受高剂量照射才会出现此类症状。

结论
对从埃及黑砂浓缩过程中获得的四种矿物进行了研究。这些矿物经过化学、物理和放射学表征。所有矿物都具有高密度，其颗粒尺寸处于微米级。它们含有相当大比例的高 Z 元素，因为锆石的重元素含量最高，密度最大，其次是磁铁矿，然后是钛铁矿。金红石和锆石不仅具有比磁铁矿和钛铁矿高得多的比活度，而且就室外放射性危害指数而言，它们具有放射性危害，并且可能导致年剂量高于向公众建议的允许限值。进行风险分析以显示工人在黑砂提质过程中可能面临的不同情况。分析表明，采取适当的预防措施和措施可以将危险情况减少到更安全的情况。